萊斯大學的物理學家們發(fā)現(xiàn)了一種相變量子材料——以及一種尋找更多類似材料的方法——這種材料有可能被用來制造類似閃存的存儲器，即使在量子計算機斷電的情況下也能存儲量子比特信息或量子位。

相變材料已用于市售的非易失性數(shù)字存儲器。例如，在可重寫dvd中，激光被用來加熱微小的材料，這些材料冷卻后形成晶體或無定形團塊。這種材料的兩個相位具有非常不同的光學特性，它們被用來存儲數(shù)字信息位的1和0。

在最近發(fā)表在《自然通訊》上的一項開放獲取研究中，萊斯大學的物理學家Ming Yi和來自12個機構的30多名合著者同樣表明，他們可以利用熱量在兩個電子相之間切換鐵、鍺和碲的晶體。在每一種情況下，電子的受限運動都會產(chǎn)生拓撲保護的量子態(tài)。最終，將量子比特存儲在拓撲保護狀態(tài)可能會減少困擾量子計算的退相干相關錯誤。

“這完全是一個驚喜，”易說到這一發(fā)現(xiàn)?！拔覀冏畛鯇@種材料感興趣是因為它的磁性。但是我們會進行一次測量，看到這一個階段，然后在另一次測量中，我們會看到另一個階段。名義上是同樣的材料，但結(jié)果卻大不相同。”

他花了兩年多的時間，與數(shù)十名同事合作，破譯了實驗中發(fā)生的事情。研究人員發(fā)現(xiàn)，在實驗前加熱時，一些晶體樣品的冷卻速度比其他樣品快。

與大多數(shù)相變存儲技術中使用的材料不同，Yi和他的同事發(fā)現(xiàn)鐵鍺碲合金不需要熔化和再結(jié)晶來改變相位。相反，他們發(fā)現(xiàn)晶體晶格中的空原子位置(稱為空位)以不同的順序排列，這取決于晶體冷卻的速度。為了從一種模式階段切換到另一種模式階段，他們展示了他們可以簡單地重新加熱晶體，并在更長或更短的時間內(nèi)冷卻它。

“如果你想改變材料中的空位順序，這通常發(fā)生在比熔化一切所需的溫度低得多的溫度下，”Yi說。

她說，很少有研究探索量子材料的拓撲性質(zhì)如何隨著空位順序的變化而變化。

“這是關鍵的發(fā)現(xiàn)，”她在談到這種材料可切換的空缺順序時說?！袄每瘴恍騺砜刂仆負浣Y(jié)構的想法很重要。這一點還沒有真正被探索過。人們通常只從完全的化學計量學角度來看待材料，這意味著所有東西都被一套固定的對稱性所占據(jù)，這些對稱性導致了一種電子拓撲結(jié)構?？瘴豁樞虻母淖兏淖兞司Ц竦膶ΨQ性。這項工作展示了如何改變電子拓撲結(jié)構。似乎空位順序也可以用來誘導其他材料的拓撲變化?！?/p>

萊斯大學理論物理學家、該研究的合著者Qimiao Si說:“我發(fā)現(xiàn)我的實驗學家同事可以在飛行中安排晶體對稱性的變化，這太神奇了。它為理論提供了一個完全意想不到的，但完全受歡迎的切換能力，同時我們也尋求通過強相關性和空間群對稱的合作來設計和控制新的拓撲形式?！?/p>

該研究的主要作者是萊斯大學的吳晗和陳磊。Rice的其他共同作者包括黃建偉、滕曉坤、郭玉成、Mason Klemm、石楚喬、Chandan Setty、謝耀峰、高斌、河野Junichiro、戴鵬程、韓一摩和Si。Yi, Dai, Han, Kono和Si都是Rice Quantum Initiative和Rice Center for Quantum Materials的成員。

該研究由來自華盛頓大學、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、韓國慶熙大學、賓夕法尼亞大學、耶魯大學、加州大學戴維斯分校、康奈爾大學、加州大學伯克利分校、斯坦福線性加速器中心國家加速器實驗室、布魯克海文國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員共同撰寫。

更多信息:吳晗等，近室溫范德華鐵磁體中的可逆非易失性電子開關，自然通訊(2024)。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46862 - z

萊斯大學提供

引文:非易失性量子存儲器:發(fā)現(xiàn)指向用于存儲量子比特的類似閃存的路徑(2024年4月6日)，2024年4月6日檢索自https://phys.org/news/2024-04-nonvolatile-quantum-memory-discovery-path.html

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